青海户用沼气池料液温度变化特征及对产气的影响

韩 睿， 朱德锐， 陈来生

(1.青海大学 农林科学院 青海省蔬菜遗传与生理重点实验室， 西宁 810016； 2.国家重点实验室培育基地——青海省高原作物种质资源创新与利用重点实验室， 西宁 810016； 3.青海大学 医学院 基础医学研究中心， 西宁 810016)

青海户用沼气池料液温度变化特征及对产气的影响

韩 睿1, 2， 朱德锐3， 陈来生1, 2

(1.青海大学 农林科学院 青海省蔬菜遗传与生理重点实验室， 西宁 810016； 2.国家重点实验室培育基地——青海省高原作物种质资源创新与利用重点实验室， 西宁 810016； 3.青海大学 医学院 基础医学研究中心， 西宁 810016)

文章以青海省乐都县5户运行状况基本稳定的沼气池为研究对象，收集了2014年7月～2015年6月沼气池内外温度数据，系统研究了沼气池料液温度随环境温度变化的变化特征，分析了温度变化对沼气产气的影响。结果表明，料液温度受环境温度影响较大，出现特殊的“极值延后”现象，且料液温度越高，沼气池的产气状况越好。该研究结果将为调控青海省户用沼气池料液温度，进而提高沼气产气效率提供理论依据。

青海； 户用沼气池； 温度； 变化特征； 产气

沼气是一种可再生清洁生物能源[1-2]。发展沼气是解决我国农村能源危机，改善农村生态环境，实现农业可持续发展的有效途径[3]. 我国是世界上沼气开发与利用的大国，自2003年农村沼气建设国债项目实施以来，全国农村户用沼气池的数量急剧增加，已经成为沼气主体[4]。青海省也实施大量沼气建设项目，取得了一定的成效。但沼气池利用率低、不产气、产气少，供气中断等问题普遍存在，这些运行状况不佳的沼气池数量占到建池总数的70%以上，使农民建沼气用沼气的积极性有所下降，也在一定程度上影响了青海沼气的推广普及[5]。

沼气发酵系统是一个复杂的微生物生态系统，该系统中，料液温度、水分、原料、酸碱度以及密闭性等均是保证该生化过程持续进行的必要条件[6, 7]。其中，料液温度是影响沼气发酵非常重要的一个因素[7]。如果温度过低，会导致微生物生理活性降低，抑制其生长和繁殖，影响产气。青海省地处青藏高原，气候寒冷，昼夜温差大，使得沼气池内料液温度不高，沼气利用效率则不高。特别是在冬季(当年11月～翌年4月)，寒冷的气温导致池内温度极低，不产气或产生的微量沼气难以维持发酵系统自身的运转，使得沼气池被冻裂或停用。因此，开展沼气池内料液温度与外界环境温度相关性的监测研究，明确料液温度随环境温度变化的变化特征及温度对产气的影响，对今后能够实现沼气池料液温度的合理调控，进而提高产气效率尤为重要。目前，青海高原地区还没有关于此类研究的相关报道。

经调研，青海省所建沼气池构造统一，为圆形，容积为8 m3，采用“一池三改”的模式，将沼气池与改厕所(1.5 m2)、改暖棚猪舍(20 m2)与改厨房(20 m2)同步建设。其中，暖棚猪舍能够起到蓄热和增温保温的作用，它也是沼气池外重要的环境温度。本研究以青海省乐都县蒲台乡李家台村的户用沼气池为研究对象，采集该村全年环境温度和暖棚温度数据，开展全年内该村沼气池料液温度的变化特征及对产气的影响研究，为沼气池料液温度的调控提供科学依据，为改进青海省沼气发酵工艺和提高沼气产气效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2014年7月1日～2015年6月30日在青海省乐都县蒲台乡李家台村(102°27′22″E，36°21′14″N，海拔2223.27～2228.26 m)建池户的暖棚和沼气池内进行。

1.2 户用沼气池

青海省乐都县蒲台乡李家台村所建沼气池中，33.8%能够正常运行，相对青海省而言，该村沼气池的运行情况是比较好的[8]。其中，有少数沼气池冬季也可以不间断产气，这在青海比较少见。选取运行状况基本稳定的5户农用沼气池，除产气状况和利用率外，其建池时间、农户的管理情况、投料结构均相同(见表1)。其中4户(T-LD1～T-LD4)全年不间断产气，夏季利用率很好，冬季也能够利用； 另外1户(T-LD5)是青海普遍存在的夏季产气状况较好，冬季不产气的沼气池，作为对照。

表1 户用沼气池基本情况调查表

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

环境温度、暖棚温度和沼气池温度均用RC-4温度记录仪采集数据，设置每2 h自动采集1次。对于沼气池，将温度记录仪的探头从出料口投入沼气池底部测定其料液温度，并将温度记录仪固定。每个月1日和15日10：00～12:00导出环境、暖棚和沼气池的温度数据直接用于计算机分析。

1.3.2 统计分析

所有数据的收集处理采用 Microsoft Excel 2007软件，图形的绘制采用GraphPad Prism 5软件。月平均温度的计算是将每月每2 h采集的数据相加然后求平均值。

2 结果与分析

设置RC-4温度记录仪每2 h自动记录1次数据。汇总全年数据，共得到48228个，有效数据为48180个。其中，环境温度数据4380个，5户农用沼气池料液温度数据21900个，5户暖棚温度数据21900个。

2.1 全年环境温度的动态变化分析

青海省乐都县蒲台乡李家台村2014年7月1日～2015年6月30日环境温度的变化见图1。从图1可以看出，全年环境温度按照季节变化，昼夜温差较大。但在任何季节和任何天气状况下，最低值基本出现在凌晨5:00～7:00，最高值在下午15：00～17：00。统计全年每月的平均温度，从表2的资料显示，6～8月较高，其中7月最高，达到20.22℃； 12～2月较低，其中1月最低，达到-4.83℃。尽管7月最高温度达34.6℃，但高温仅出现在下午13：00～17：00时，且只有几天，而该月最低温度仅10℃，由于昼夜温差太大，导致平均温度并不高，较内地低海拔地区青海省的夏季足够凉爽。

从表2可以看出，环境温度从11月开始出现零度以下温度，而在4月才开始恢复零上温度，这期间气温过低导致沼气发酵微生物生理活性降低，不能正常产气，这也是青海绝大多数农村户用沼气池在当年11月～翌年4月内，产气少或不产气、运行状况差和利用效率低，产生“用半年停半年”现象的原因。

图1 全年环境温度的变化特征

表2 不同月份环境温度变化(℃)

2.2 全年暖棚温度的动态变化分析

李家台村2014年7月1日～2015年6月30日5户暖棚温度的变化见图2。从图2可以看出，相比环境温度，其也按照季节变化，但昼夜温差较小，且在任何季节和天气状况下，最低值出现在凌晨3：00～9：00，最高值出现在下午13：00～19：00，均有所延长。暖棚温度最高值出现时间受日光直射影响较为明显，一般晴天时最高值出现在13：00～15：00左右，阴天或多云时出现在15：00～19：00。统计全年每月每户暖棚的平均温度，从表3的资料显示，5户的温度最高值和最低值分别出现在7月和12月，相比环境温度，低温时间明显缩短，说明暖棚发挥了一定的保温作用，其中，T-LD5要低于其他4户。

从表3可以看出，T-LD1～T-LD4在4～10月平均温度均在10℃以上，5～9月更高，在15℃以上，温度较高的时间段较环境温度长，且最低值均高于环境，说明暖棚的确起到了保温功效。特别是在环境温度较低的12月～次年2月，温度仍保证在0℃以上，不仅发挥了保温功效，还起着蓄热增温的作用，提高了冬季沼气池产气的环境温度，使沼气发酵微生物生理活性不至于完全丧失，仍能够产气。但对于T-LD5，经调研，其暖棚没有采光面，使得棚内蓄积的热量不够，温度不高。到了寒冷的冬季，暖棚无法克服环境温度对沼气池的影响，进而影响了产气和利用。这可能是青海绝大多数沼气池冬季产气少或不产气的原因之一。

图2 全年5户暖棚温度的变化特征

表3 不同月份5户暖棚温度变化(℃)

2.3 沼气池料液温度的变化及对产气的影响

2.3.1 全年料液温度的变化特征分析

李家台村2014年7月1日～2015年6月30日5户沼气池料液温度的变化见图3。如图3可知，沼气池料液温度以0.1℃为单位升高或降低，整体上，T-LD5的温度要低于其他4户，这也证实了暖棚温度确实影响沼气池的料液温度。统计全年每月每户的沼气池平均温度，从表4的资料显示，与环境和暖棚不同，沼气池料液温度变化没有明显的规律，有时1天之内就有升降，而有时每隔几天才出现0.1℃的升降。7～10月温度较高，1～4月较低。最高值出现在8～9月，最低温出现在3月，这两个时间段是沼气池温度月变化的拐点，表现为“先升高后降低”和“先降低后升高”的过程。

2.3.2 料液温度对产气的影响

T-LD1～T-LD4这4户是青海省为数不多的夏季产气好、利用率高，冬季也可以产气的沼气池。分析其料液温度和产气状况，5～12月的平均温度基本在8℃以上，均属于正常常温发酵的温度，微生物的生理活性较高，产气好； 1～4月则相对较低，但通过分析，其料液温度并不是太低，微生物仍能维持着发酵过程，且需要维持的时间并不长，因此还能少量产气； 当过了4月，环境温度升高，料液温度持续上升，池内微生物生理活性提高，产气增多。对于T-LD5，像青海大多数户用沼气池一样，6～11月料液温度在8℃以上，但最高温度也不到13℃，低于产气好的沼气池，故其利用率低； 12～5月温度较低，比产气好的沼气池低温时间延长了2个月； 当12月后，环境温度降低，料液温度持续降低，达到了完全抑制微生物生存和繁殖的温度，导致不再产气； 直到6月后，料液温度随环境温度升高而持续上升，池内微生物开始恢复生理活性，进行生长繁殖和厌氧消化过程。综合比较5户沼气池的料液温度和产气状况，温度越高，产气状况越好，说明沼气池产气和利用与料液温度密切相关。

图3 全年5户沼气池料液温度的变化特征

2.3.3 环境温度对沼气池料液温度的影响

分别统计环境温度每月平均值，4户产气好沼气池(T-LD1～T-LD4)和对照(T-LD5)每月暖棚温度的和沼气池料液温度的平均值。图4是环境温度(记为Te)、暖棚温度(Tg)，对照暖棚温度(Tgd)、沼气池料液温度(Tb)和对照沼气池料液温度(Tbd)全年变化趋势。由图4可以看出，料液温度受环境温度影响较大。Tb和Tbd受Te的影响，出现“极值延后”现象，最高温延后40～65天，最低温延后50～60天。当Te开始降低时，Tb和Tbd受光照等因素的影响仍持续上升，直到8～9月达到最高； 此后，随着Te持续降低，Tb和Tbd也随之下降； 当Te已经开始回升时，Tb和Tbd又受地温、光照等因素影响仍持续下降，直到3月达到最低，此后又开始缓慢升高。从图4还可以看出，温棚温度对料液温度也有一定影响。Te最低温出现在1月，12月～2月在0℃以下，进入2月气温回升。由于具有保温作用，Tg和Tgd的最低温在都12月，1月就开始回升，不同的是前者全年平均温度都在0℃以上，后者则最低温低于0℃。在8～12月温度的下降区间，Tg降温速率月平均为-3.782℃，Tgd月平均则为-5.094℃，变化要大于Tg； 在上升区间，Tg升温速率月平均为3.546℃，Tgd月平均则为3.752℃，低于Tg。相对Te，整体上Tg比Tgd变化更平稳，保温效果显而易见，使得Tb整体上都要高于Tbd。

3 结论和讨论

料液温度是影响户用沼气厌氧发酵过程的重要因素[9-10]。笔者发现，产气状况好、利用率高的沼气池料液温度高于相对较差的沼气池。户用沼气池多采用常温发酵，一般为10～20℃，通常8℃以上都可以产气，低于8℃则会导致微生物生理活性降低，抑制其生长和繁殖，影响产气[11]。像青海大多数户用沼气池一样，T-LD5的料液温度不高，导致冬季不能使用。其料液温度在8℃以上持续时间较T-LD1～T-LD4短，故而利用率偏低； 其低温时间比T-LD1～T-LD4延长了2个月，在12月后，环境温度降低，料液温度持续降低，细菌、产甲烷菌逐渐停止厌氧消化和生长繁殖活动，无法正常进行原料的分解、发酵、产气，出现供气不足、燃烧不完全现象，至达到完全抑制微生物生长和繁殖的温度时产气中断，沼气池不再使用。这可能就是青海大多数户用沼气池冬季不产气的原因[12]。而4户产气好的沼气池5～12月的平均温度基本在8℃以上，属于正常和适宜发酵的温度，细菌、产甲烷菌等活跃，处于厌氧消化和生长繁殖状态，能快速进行原料分解、消化、发酵、产沼气一系列活动，具有发酵速度快、产气量大、使用效果好等特点； 这4户仅1～4月温度偏低，影响了微生物的生理活性，使得产气减少，但由于此时沼气池的料液温度并不是太低，细菌、产甲烷菌不会停止厌氧消化和生长繁殖活动，缓慢进行着原料的分解、发酵、产气，维持着发酵过程，这样整个冬季都不会间断产气。同时，T-LD3和T-LD4全年料液温度比T-LD1和T-LD2高，而前者产气状况和利用率也高于后者，特别是在冬季的利用率非常明显，说明料液温度对沼气产气和利用以及沼气池稳定运行起着非常重要的作用。

表4 不同月份5户沼气池料液温度变化 (℃)

图4 沼气池内外温度随时间变化

由文章可知，沼气池料液温度受环境温度影响较大，出现特殊的“极值延后”现象，这一现象的发现有助于对沼气池料液温度进行调控。青海省乐都县的最高值出现在8～9月，在这个时间段，环境温度已经开始下降，如果可以采取相应的措施，增加沼气发酵的环境温度，可能能够使料液温度的最高值延后更久，这样就能延长沼气产气的时间，提高利用率。建议采用覆盖塑料薄膜、秸秆、保温被和聚苯乙烯泡沫板等隔热保温性材料覆盖沼气池，或用土敷埋沼气池，对沼气进出口增加保温的盖板等。无论对照还是产气较好的农用沼气池，乐都县料液温度的最低值均出现在3月。有报道指出[13]，沼气产气量与外界气温和沼气池低温呈显著正相关关系，其中与沼气池最低温度相关系数最高，而与沼气池高温关系不大。可以看出，冬季沼气池的最低温度是决定产气量的主要因素。因此，在3月这个时期需要给沼气池增温，利用的措施除上述外，还可以利用辅助燃烧式建造技术等。如果采取的方法可行，沼气池的料液温度能够克服外界环境温度的影响而得到提高，就能够提高冬季的沼气产气量，可能在一定程度上能够解决青海沼气冬季不产气或产气少的难题。

研究还发现，暖棚温度对沼气池料液温度也有一定影响，棚温高的料液温度也高，显示了暖棚蓄热和增温保温的功效，这与前人的报道相符。王艳芹[14]等人采取不同措施对户用沼气池料液温度进行测定时发现，加盖暖棚时料液温度最高，说明采用暖棚是提高户用沼气池内料液温度比较好的措施之一。青海省所建的户用沼气池均采用带有暖棚的“一池三改”模式，说明该建设技术模式的推广示范是完全符合当地需要的。因此，可以在沼气池上面通过修建保温性能更好的暖棚，如日光温室等，并且尽量修建在采光好的位置来增加暖棚温度从而提高沼气池内料液温度； 也可以或通过使用更好的暖棚保温材料，或在冬季利用辅助加热手段等给暖棚增温来提高池内料液温度。

[1] Bachmaier H, Effenberger M, Gronauer A, et al. Changes in greenhouse gas balance and resource demand of biogas plants in southern Germany after a period of three years[J]. Waste Management and Research, 2012, 33(2):8-11.

[2] Feng Y Z, Guo Y, Yang G H, et al. Household biogas development in rural China: On policy support and othermacro sustainable conditions[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16:5617-5624.

[3] 师晓爽，刘德立，郎志宏，等. PCR-DGGE技术在农村户用沼气发酵微生物研究中的初步应用[J]. 山东师范大学学报，2007，22(2)：120-122.

[4] 魏素珍，黄青松. 低温条件下户用沼气发酵技术研究进展[J].南方农业学报，2012，43(6)：792-796.

[5] 彭发基，田德宁. 高寒地区一种新型辅助燃烧式沼气池简介[J].中国沼气，2011，29(2)：41-42.

[6] 王晓娇.混合原料沼气厌氧发酵影响因素分析及工艺优化[D].杨凌：西北农林科技大学， 2013.

[7] 王大蔚.寒区沼气生物强化发酵关键技术研究[D].北京：中国农业科学院，2012.

[8] 韩 睿，陈来生. 青海高原户用沼气池利用效率评析—以乐都县李家台村为例[J].中国沼气，2015，33(5)：69-73.

[9] 张翠丽，杨改河，卜东升，等. 温度对秸秆厌氧消化产气量及发酵周期影响的研究[J].农业环境科学学报 2008，27(5)：2069-2074.

[10] 席 江，王 超，冉 毅，等. 发酵温度、进料浓度和水力停留时间对连续式厌氧发酵效果的影响[J].中国沼气，2014，32(4)：43-47.

[11] 姚小东. 提高沼气池冬季产气量的几项措施[J].农民致富之友，2015，4：289.

[12] 田德宁，彭发基. 高寒地区辅助燃烧式沼气池建造技术[J].青海科技，2009，1：20-22.

[13] 王艳芹，胡成昌，付龙云，等. 不同措施对户用沼气池内温度及产气量的影响[J].中国沼气，2014，32(4)：57-61.

[14] 王艳芹，刘 英，姚 利，等. 不同措施对北方地区冬季户用沼气池料液温度及产气量的影响[J].中国沼气，2010，28(5)：31-34.

Temperature Variation of Rural Household Biogas Digesters in Qinghai and the Impact on Biogas Production /

HAN Rui1, 2， ZHU De-rui3， CHEN Lai-sheng1, 2/

(1. Qinghai Key Laboratory of Vegetable Genetics and Physiology，Academy of Agriculture and Forestry, Qinghai University，Xining 810016, China； 2. State Key Laboratory Breeding Base——Key Laboratory of Qinghai Province for Plateau Crop Germplasm Innovation and Utilization，Xining 810016, China； 3. Research Center of Basic Medical Sciences, Qinghai University Medical College, Xining 810016, China)

The temperature data were investigated for 5 stably operating digesters in Ledu County of Qingdao province from 2014 to 2015. The temperature variation characteristics inside and outside biogas digesters, the influence factors of temperature changing on the biogas production, were analyzed. The results showed that the temperature of biogas digesters were greatly influenced by environmental temperature, a special "extreme delay" phenomenon occured, and the higher the temperature, the better the biogas producing condition. The results of this study can be used to provide theoretical basis for controlling the temperature of the household biogas digesters, and to improve the gas production efficiency.

Qinghai； rural household biogas digesters； temperature； variation characteristics； biogas

2015-12-09

项目来源： 青海省应用基础研究(2015-ZJ-730)； 青海省自然科学基金(2015-ZJ-929Q)； 青海省重大科技专项(2016-NK-A8)

韩 睿(1983-)，女，助理研究员，主要从事沼气微生物分子生物学方面的研究工作，E-mail：hanrui11473@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)06-0095-06